Численный анализ конструкции твердотельной нейтронной мишени на основе экспериментов с прототипами ее элементов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

На правах рукописи

АВИЛОВ Михаил Степанович

ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ НЕЙТРОННОЙ МИШЕНИ НА ОСНОВЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ С ПРОТОТИПАМИ ЕЕ ЭЛЕМЕНТОВ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК - 2006

Работа выполнена в Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Логачев — кандидат физико-математических наук,

Павел Владимирович Институт ядерной физики

им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Бурдаков - доктор физико-математических наук,

Александр Владимирович Институт ядерной физики

им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

Лапаксин — кандидат технических наук,

Александр Александрович Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики им. Е.И. Забабахина, г. Снежинск.

ВЕДУЩАЯ — Объединенный институт ядерных

ОРГАНИЗАЦИЯ исследований, г. Дубна.

Защита диссертации состоится « [Ь » _2006 г.

в « » часов на заседании диссертационного совета Д.003.016.01

Института ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН.

Адрес: 630090, Новосибирск-90, проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ им. Г.И.Будкера СО РАН.

Автореферат разослан: « (| » _ Ко^ч_2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук

А.А. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертаций

В настоящее время проблема получения радиоактивных ионных пучков (РИП) находится в центре внимания научного сообщества многих стран, открывая новые горизонты в ядерной физике и других областях науки: физике твердого тела, ядерной астрофизике, материаловедении. Исследование фундаментальных свойств материи требует постоянного увеличения интенсивности пучков частиц, задействованных в экспериментах. Вслед за новаторскими исследованиями, проведенными на источниках РИП первого поколения, целый ряд научных институтов приступил к разработке источников РИП второго поколения, характеризующихся высокой яркостью и способностью производить широкий спектр радиоактивных изотопов.

Первостепенное внимание в настоящее время уделяется ISOL (Isotope Separation On Line) методу получения РИП. Данный метод основывается на том, что поток первичных частиц го ускорителя направляется на толстую горячую мишень из тяжелых элементов. Пары радионуклидов, образующиеся в результате взаимодействия частиц с веществом мишени, ионизуются на горячей поверхности источника ионов. Полученные ионы разделяются по изотопам, ускоряются до необходимых энергий и транспортируются в экспериментальную зону. Одним из проектов установки второго поколения для получения РИП методом ISOL является проект SPES, разрабатываемый в Национальных Лабораториях Леньяро (LNL), Италия, при участии специалистов из ИЯФ СО РАН. В этом проекте используется двухступенчатая схема получения РИП, позволяющая разделить процессы выделения тепловой мощности первичного пучка и образования радионуклидов. Первичный пучок протонов/дейтронов мощностью до 150 кВт сначала из ускорителя направляется на конвертор нейтронной мишени, где полностью поглощается с образованием интенсивного (до 1014 частиц в секунду) потока нейтронов. Полученный таким образом нейтронный поток попадает на горячую мишень из соединений 238U, производящую радионуклиды. С помощью индуцированного нейтронами распада 238U может быть получен широкий спектр изотопов, включая ядра с высоким содержанием нейтронов.

Максимально возможное использование фактора увеличения интенсивности вторичного пучка приводит к предельным значениям

плотности мощности, выделяющейся в конверторе нейтронной мишени под действием первичных частиц. Указанное обстоятельство требует от мишенной системы особой надежности и простоты последующей утилизации. Таким образом, возникает необходимость создания специализированной системы тщательной проверки и термомеханических испытаний мишенной системы как поэлементно, так и в сборе. Такие испытания не должны приводить к активации мишени, и в то же время должны гарантировать ее работоспособность при штатной эксплуатации. Практически единственной возможностью проведения подобных термомеханических испытаний является облучение мишени мощным электронным пучком. Эксперименты с макетом мишени, включающим: в себя основные ее узлы, позволяют определить основные характеристики конструкции и степень ее надежности.

Испытание всех узлов мишени и мишенной системы в целом является трудоемкой задачей, требующей значительных затрат средств и времени. Поэтому для изучения поведения системы в рабочих режимах целесообразным является проведение всестороннего численного моделирования, охватывающее основные физические процессы в мишени: нагрев конвертора, излучение с поверхности мишени, передача тепла в различные части конструкции, деформации и напряжения в узлах .мишени под воздействием тепловых и механических нагрузок, и т.д. Комплекс прикладных программ АКЙУЭ, предназначенный для решения широкого спектра задач моделирования, является подходящим инструментом для анализа вышеперечисленных проблем. Моделирование, проведенное на его основе, наряду с результатами экспериментов с макетом мишени позволило бы прогнозировать поведение мишени при нагреве интенсивным протонным пучком, определять ее наиболее нагруженные области и проводить оптимизацию ее параметров.

Цель проведения работы

Основной целью проводимой работы является разработка метода термомеханического анализа твердотельных высокотемпературных нейтронных мишеней и проведения с помощью него исследования и оптимизации схемы мишени, включающие:

1. Выбор конструкции мишени и материалов для ее реализации.

2. Проведение экспериментов с прототипами элементов мишени с целью изучения процессов теплопереноса в узлах мишени и уточнения расчета ее основных характеристик.

3. Численное моделирование тепловых и механических режимов '' работы мишени с использованием экспериментальных данных и

оптимизация ее геометрических параметров и параметров, определяющих рабочий режим мишени.

Положения, выносимые на защиту

1. Предложен вариант конструкции нейтронной мишени с конвертором из углеродного материала (графит или материал на основе 13С), в которой отвод тепловой мощности из рабочей зоны осуществляется излучением с поверхности конвертора. Конструкция мишени должна быть рассчитана на прием интенсивного пучка первичных частиц мощностью до 150 кВт. Для того, чтобы увеличить эффективную площадь излучения и тем самым понизить температуру конвертора до поминальной (2000 °С), несущая часть конструкции выполнена в виде вращающегося металлического диска с конвертором, закрепленным по его ободу.

2. Описан разработанный метод термомеханического анализа, который позволил определить основные характеристики мишени при ее эксплуатации, в рабочем режиме: распределение температуры, температурные градиенты, тепловые потоки, напряжения и деформации, связанные как с тепловыми, так и с механическими нагрузками. Метод основан на численном моделировании с использованием программного комплекса ANSYS и экспериментах с макетом мишени, проводимых с целью определения параметров мишени, связанных с передачей тепла через контакты в конструкции, и уточнения свойств используемых материалов.

3. Представлены результаты расчетов основных термомеханических характеристик мишени и ее прототипа в номинальном рабочем режиме. Проведено сравнение результатов моделирования с данными, полученными в процессе экспериментов с прототипом мишени под электронным пучком мощностью до 50 кВт. Продемонстрировано хорошее совпадение результатов численного анализа и экспериментов.

Научная новизна работы

С помощью предложенного метода термомеханического анализа на основе численного моделирования и экспериментов с макетом мишени был разработан и исследован оригинальный вариант конструкции вращающейся высокотемпературной нейтронной мишени с конвертором из графита или материала на основе 13С и охлаждением рабочей зоны излучением.

Практическая значимость работы

Описанная в работе методика продемонстрировала работоспособность, будучи примененная для анализа режимов работы вращающегося прототипа нейтронной мишени. Результаты численного моделирования с использованием данных экспериментов с макетом мишени показали хорошее (лучше чем 10%) совпадение с данными температурных измерений, проведенных в процессе испытания прототипа. Предложенная методика

термомеханического анализа может быть использована при разработке различных конструкций твердотельных мишеней, а также других устройств, работа которых связана с тепловыми и механическими нагрузками и наличием контактов между узлами конструкции.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на 8-й (Париж, 2002) и 9-й (Люцерн, 2004) Европейских Конференциях по Ускорителям Заряженных Частиц (ЕРАС), на 2-й (Пекин, 2001) и 3-й (Кёнжу, Корея, 2004) Азиатских Конференциях по Ускорителям Заряженных Частиц (АР АС), на Конференции по Ускорителям Заряженных Частиц РАС'01 (Чикаго, 2001), на XVII Международном Семинаре по Ускорителям Заряженных Частиц (Алушта, 2001), на Семинарах по Проекту МНТЦ №2257 (Леньяро, Италия, 2003; Новосибирск, 2004; Леньяро, 2005).

Публикации

По результатам диссертации опубликовано 17 работ.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы. Объем диссертации составляет 129 машинописных страниц и включает: 70 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 30 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложено существо и современное состояние исследуемых вопросов, обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели работы.

Первая глава посвящена выбору конструкции нейгронной мишени и определению методов ее анализа. В параграфе 1.1 сформулированы основные критерии выбора конструкции, каковыми являются способность материала конвертора выдерживать значительные тепловые нагрузки и производить интенсивный поток нейтронов. Показано, что наиболее перспективны с этой точки зрения материалы на основе углерода - графит серии МПГ и разработанный по оригинальной технологии материал на основе изотопа 1 С.

В параграфе 1.2 определена основная концепция высокотемпературной мишени, рассчитанной на высокие мощности первичного пучка. Теплоотвод из мишени осуществляется излучением, принимаемым панелями охлаждения или охлаждаемыми стенками вакуумной камеры. Предложен вариант конструкции мишени, представляющей собой вращающийся металлический диск с закрепленными на его внешнем краю пластинами конвертора. Вращение диска с частотой 20 - 50 Гц позволяет значительно увеличить

эффективную поверхность излучения и, следовательно, снизить температуру конвертора до номинальной.

В параграфе 1.3 сформулирован метод анализа конструкции мишени. Его основой является численное моделирование с помощью программного комплекса ANSYS и эксперименты, проводимые с прототипами элементов мишени, составляющими ее макет, с целью определение требуемых для моделирования параметров. Методика экспериментов должна исключать активацию конструкции, обеспечив доступность ремонта и замены вышедших из строя ее узлов и инфраструктуры. Одним из наиболее эффективных экспериментальных методов является нагрев конвертора интенсивным электронным пучком и проведение температурных измерений поверхности конвертора и других узлов макета при контроле основных параметров пучка.

• В параграфе 1.4 рассматриваются основные возможности программного комплекса ANS YS с точки зрения выполняемых в работе задач. Описаны схемы реализации теплового и механического анализа, особое внимание уделено использованию теплового излучения, расчету режима принудительного охлаждения и использованию в моделировании контактов между узлами конструкции. В конце параграфа сделано заключение о применимости комплекса для выполнения поставленной задачи проведения термомеханического анализа конструкции мишени.

Вторая глава посвящена определению термомеханических характеристик стационарного макета мишени. В параграфе 2.1 сформулирован подход к решению задачи. Проведение экспериментальных исследований на макете мишени (упрощенная модель мишени, включающая в себя основные элементы ее конструкции) обусловлено необходимостью определения потока тепла через поверхности контактов между узлами конструкции и уточнения свойств используемых материалов. Полученные данные лягут в основу численного анализа мишени, при помощи которого

Рис. 1. Конструкция стационарного макета мишени.

будут рассчитаны ее основные термомеханические параметры. Во второй части параграфа описана конструкция стационарного макета мишени. Макет (рис. 1) выполнен в виде сектора с угловым размером 12° и радиусом 17 см, закрепленного ' на фланце вакуумной камеры. Нагреваемая электронным пучком Т-образная графитовая -пластина-конвертор соединена с. металлической частью сектора, изготовленной из нержавеющей с1гали, с помощью переходных графитовых цанговых креплейий. Вдоль металлического основания расположено 13 термопар. ' ;

Параграф 2.2 содержит сведения об оборудовании, использованном в экспериментах с макетом. Источником тепловой мощности является интенсивный электронный пучок ускорителя ЭЛВ-6. Отличительными особенностями ускорителя, делающими возможным его применение в экспериментальном исследовании мишени, являются высокая мощность (до 100 кВт) непрерывного электронного пучка и изменяемый фокусирующей системой размер пятна на образце, позволяющий варьировать плотность мощности нагрева. Выбранная для экспериментов энергия электронов 1.4 МэВ, предельная для данной конструкции ускорителя, обеспечивает длину их пробега в материале конвертора, соответствующую длине пробега 30 МэВ протонов. Выведенный из ускорителя пучок электронов через пучковый канал попадает в вакуумную камеру со смонтированными в ней макетом мишени, приемником пучка (цилиндр Фарадея), оптическими окнами, узлом откачки, электрическими вводами. В стенках камеры расположены каналы водяного охлаждения. Приемником пучка являлась графитовая пластина, предназначенная для защиты камеры от прошедшей через макет (или мимо него) доли пучка и ее измерения в рамках общего контроля баланса токов и мощностей, а также для измерения поперечного распределения плотности тока в пучке.

В параграфе 2.3 описана схема экспериментов и приведены основные экспериментальные результаты. Измерения температуры конвертора проводились с использованием пирометра через оптическое окно вакуумной камеры. Распределение температуры в металлической части конструкции измерялось при помЬщи термопар, расположенных вдоль основания макета. Система управления ускорителя обеспечивала контроль основных параметров пучка: энергии, мощности и поперечного размера. На пучковом канале вакуумной камеры располагалась дополнительная пара корректоров, с помощью которых осуществлялась линейная развертка пучка поперек пластины конвертора, позволяя тем самым моделировать режим вращения конструкции. Температурные измерения проводились в различных режимах нагрева макета. 11 режимов нагрева соответствовали различной мощности электронного пучка - от минимальной 343 Вт до максимальной 2164 Вт, причем максимальная мощность на 30% превышала номинальную в 1600 Вт. После установления очередного режима нагрева, с помощью цилиндра Фарадея осуществлялось измерение плотности тока в пучке; полученные

результаты заносились в базу данных для моделирования. Методика экспериментов предоставила уникальную возможность получить картину распределения температуры не только в конверторе, но, благодаря данным с термопар, и в металлическом основании макета. Такая информация вряд ли могла бы быть получена в экспериментах с вращающейся мишенью. Данные о распределении температуры были использованы в численном моделировании теплопередачи через контактные поверхности различных узлов макета.

Параграф 2.4 посвящен численному моделированию рабочих режимов стационарного макета мишени. При проведении численного анализа первым шагом является построение физической модели системы, которая подразумевает идеализацию свойств конструкции и внешних воздействий. При построении физической модели необходимо принять во внимание наиболее значимые элементы конструкции макета мишени, определяющие его основные функции: конвертор, узел крепления конвертора, металлическое основание макета и узел его крепления к фланцу. Идеализации подвергаются также свойства материалов, прилагаемые нагрузки, контакты между узлами конструкции. В параграфе приводится подробное описание основных этапов моделирования с помощью программного комплекса ЛЫЗУБ применительно к конструкциям мишени и ее макета, особое внимание уделено способам приложения нагрузок, использованию контактов и теплового излучения. Перечислены основные факторы, определяющие точность проводимых расчетов: правильность приложения нагрузок и задания граничных условий, размер и форма конечного элемента. В тепловом анализе макета (рис. 2) нагрузкой являлось выделение тепла в конверторе мишени, рассчитанное по экспериментальным данным о профиле пучка и табличной зависимости энерговыделения электронов от глубины их проникновения в материал конвертора. Для расчета теплового излучения задавалась конфигурация излучающих поверхностей и коэффициенты их черноты.

> 1119 1

•1x4 41а«г1Ъи£«4 Ьеыя

Эв «соЪаг ч!«К сЬ«етя*1

Рис. 2. Тепловой анализ. Распределение температуры (°С) в макете.

Одной из главных задач теплового анализа макета являлось определение теплопередачи через поверхности контактов между узлами конструкции. В условиях вакуума тепло между контактными поверхностями может передаваться как через излучение, так и за счет теплопроводности контакта. Излучательная составляющая может быть рассчитана в приближении идеально ровных поверхностей контакта, если известны их коэффициенты теплового излучения. Величина теплопроводной составляющей зависит от многих факторов и в общем случае может быть определена только на основании экспериментально измеренного распределетш температуры в конструкции. На этапе численного анализа для каждого режима нагрева проводилось определение тепловой проводимости контактов, при которой рассчитанное распределение температуры совпадало бы с экспериментальным (рис. 3). На основании подобранных коэффициентов теплопередачи для каждой пары контактных поверхностей строились зависимости проводимости контакта от температуры, которые в дальнейшем использовались в моделировании рабочих режимов собственно мишени.

—и— эксперимент -Т-АМЗУЭ

2 4 6 в 10 12

номер термопары Рис. 3. Экспериментальное распределение температуры в макете и результаты моделирования при подобранных коэффициентах теплопередачи через контакты.

Важным фактором моделирования, влияющим на точность полученных результатов, является точность, с которой задаются свойства материалов. Табличные данные о свойствах материалов, полученные из разных источников, могут существенно различаться или быть определены внутри широкого интервала значений. Проведенная коррекция табличной зависимости коэффициента теплопроводности стали от температуры позволила получить лучшее совпадение расчетов с экспериментальными данными.

Особенностью проводимого структурного анализа являлось использование связанного типа контактных поверхностей, гарантирующего сходимость решения задачи. Такой тип контакта подразумевает отсутствие перемещений одной поверхности относительно другой. Это приводило к тому, что значения термомеханических напряжений в местах контактов оказывались завышенными, отражая верхний предел напряжений в конструкции. Однако даже в этом случае уровень напряжений в пластине конвертора при ее нагреве в номинальном режиме был далек от предельных для графита значений.

В третьей главе разработанный метод анализа применен для расчета рабочих режимов вращающегося прототипа нейтронной мишени. В параграфе 3.1 описана конструкция прототипа, предназначенного для испытаний под интенсивным электронным пучком всех систем и узлов нейтронной мишени. Конструкция прототипа рассчитана на мощность пучка 50 кВт и в основных чертах повторяет конструкцию мишени, отличаясь от нее лишь меньшими размерами. Основным узлом прототипа является конвертор, набранный из пластин (графитовых или из материала на основе 13С), которые с помощью графитовых цанг крепятся к металлическому диску. Диск посажен на вал, который при помощи подшипникового узла крепится к вакуумной камере. Отвод тепла из конвертора осуществляется излучением, рассеиваемым в каналах панелей водяного охлаждения.

Рис. 4. Распределение температуры в прототипе нейтронной мишени.

Параграф 3.2 посвящен численному моделированию рабочих режимов прототипа. Моделирование предшествовало испытаниям прототипа и проводилось с целью предсказания его поведения при номинальных нагрузках и определение его основных характеристик. Анализ осуществлялся с использованием экспериментальных данных о проводимости контактов и уточненных свойств материалов. В тепловом

9

анализе основными параметрами прототипа являются распределение температуры в основных узлах конструкции (рис. 4), поток из конвертора в металлический диск и вал через узел крепления, температура подшипников, определяющая надежность узла подвески, а также поток тепловой мощности в панели охлаждения (рис. 5), влияющий на распределение температуры в конверторе. Численный анализ показал, что при малом коэффициенте теплового излучения внешних поверхностей панелей, охлаждения значительная часть излученной конвертором мощности отражается поверхностями панелей обратно, что приводит к увеличению температуры конвертора. Поэтому для повышения эффективности - теплоотвода было решено зачернить внешние поверхности панелей охлаждения. В структурном анализе проводилась оценка вклада инерционных сил, возникающих при вращении прототипа, в общую картину напряжений в конструкции. Показано, что термомеханические напряжения в номинальном режиме работы прототипа являются определяющими.

■ ■ -..............> -

20 30 10 52

гэ 55 . чэ

2Т> сэо!л па рапв1»

Рис. 5. Распределение температуры в панелях охлаждения.

Параграф 3.3 посвящен испытаниям прототипа под электронным пучком ускорителя ЭЛВ-6. Испытания заключались в объемном нагреве конвертора пучком различного поперечного размера мощностью до 50 кВт и измерении температуры конвертора с помощью системы оптической диагностики. Дополнительно при помощи термопар определялись температуры неподвижной части обоих подшипников, теплового экрана узла подвески, а также поверхностей панелей охлаждения. В процессе экспериментов мощность пучка плавно поднималась до значения 50 кВт, фиксируясь на промежуточных значениях в течении времени, необходимого для достижении , стационарного режима нагрева конструкции. Испытания прошли в целом успешно, конвертор из графита выдержал без разрушений все режимы нагрева.

В параграфе 3.4 проводилось сравнение данных, полученных в процессе испытаний прототипа с результатами численного анализа. Основными критериями сравнения являлись температура конвертора в различных режимах нагрева * конструкции, а также температура отдельных узлов прототипа (подшипников и теплового экрана) при номинальной мощности нагрева в 50 кВт. Сравнение продемонстрировало хорошее (лучше 10%) совпадение экспериментальных результатов с данными численного моделирования, что свидетельствует о правильности разработанного метода анализа и применимости его для анализа полномасштабной 150 кВт нейтронной мишени.

В четвертой главе проводится расчет и оптимизация основных характеристик нейтронной мишени, способной принимать мощность 150 кВт от 40 МэВ пучка протонов с поперечным размером 5, 10 и 20 мм. Материалами конвертора являются графит и материал на основе изотопа |3С. В параграфе 4.1 перечислены основные критерии и параметры оптимизации, каковыми являются диаметр мишени, длина и толщина Пластины конвертора, диаметр вала, частота вращения мишени, место падения пучка на пластину конвертора.

В параграфе 4.2 производится оптимизация длины и толщины пластины конвертора, а также диаметра мишени. Толщина конвертора определяется длиной свободного пробега протонов в материале конвертора и составляет 10 мм для графита и 16 мм для материала на основе 3С. Показано, что увеличение длины пластины с 4 до 8 см лишь незначительно снижает температуру конвертора, однако может вызвать повреждение конструкции из-за вибраций при ее вращении. Диаметр мишени выбирался таким образом, чтобы обеспечить температуру конвертора на уровне 2000 °С,: что является его рабочей температурой.

В параграфе 4.3 рассматриваются напряжения, вызванные вращением конструкции. Уменьшение частоты вращения мишени с 50 до 20 Гц дает существенный выигрыш в инерционных напряжениях, лишь незначительно (с 10 до 25 °С) увеличивая ска,чок температуры на поверхности конвертора при прохождении им пучка. Изменение диаметра вала в диапазоне 2.5 - 5 см не приводит к заметным изменениям значений напряжений в конструкции.

В параграфе 4.4 рассматриваются вопросы оптимизации положения пучка на пластине конвертора, проводимой с целью минимизации как температуры конвертора, так и теплового потока в вал. Показано, что наиболее оптимальным является положение пучка в центре пластины, обеспечивающее минимальную температуру конвертора и относительно небольшой поток тепла через узел крепления в металлический диск и вал.

Параграф 4.5 подводит важнейшие итоги численного анализа конструкции мишени.

В заключении приводятся основные результаты проделанной работы, отмечается ее научная новизна и практическая значимость.

В приложении приводятся основные характеристики используемых материалов в зависимости от температуры.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основе предварительных экспериментов и расчетов предложен оригинальный вариант конструкции твердотельной высокотемпературной мишени для производства нейтронов под действием первичного пучка протонов/дейтронов с энергией до 150 кВт. Несущим элементом мишени является вращающийся металлический диск с закрепленным на нем конвертором, изготовленным из углеродного материала (графит или материал на основе 13С). Охлаждение рабочей зоны мишени осуществляется тепловым излучением.

2. Разработан метод термомеханического анализа мишени. Метод основан на численном моделировании конструкции с помощью программного комплекса ANSYS и экспериментах со стационарным макетом мишени, проводимых с целью определения потока тепла через контакты между узлами конструкции и уточнения свойств использованных материалов.

3. Разработанный метод анализа был применен для определения термомеханических характеристик прототипа мишени. Последующие испытания прототипа под электронным пучком мощностью до 50 кВт продемонстрировали хорошее совпадение экспериментальных результатов с результатами расчетов, что подтвердило правильность выбранного метода анализа и его применимость для расчета параметров мишени.

4. С помощью предложенного метода анализа были проведены расчет и оптимизация основных параметров 150 кВт мишени: диаметра мишени, длины и толщины пластины конвертора, диаметра вала, частоты вращения конструкции, положения пучка на пластине конвертора.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. M.S. Avilov, A.V. Antoshin, K.V. Gubin, N.Kh. Kot, N.N. Lebedev, P.V. Logatchev, P.V. Martyshkin, S.N. Morozov, I.L. Pivovarov, S.V. Shiyankov, A.A. Starostenko. Project of rotating carbon high-power neutron target. Conceptual design. // Proc. of PAC-2001, Chicago, IL, 17-22 June 2001.

2. M.S. Avilov, K.V. Gubin, N.Kh. Kot, P.V. Logatchev, P.V. Martyshkin, S.N. Morozov, A.A. Starostenko. Project of rotating carbon high-power neutron target. Calculation of the target thermal and mechanical operation conditions. // Proc. of PAC-2001, Chicago, IL, 17-22 June 2001.

3. M.S. Avilov, P.A. Bak, K.V. Gubin, N.Kh. Kot, P.V. Logatchev. Research of graphite properties for production of high intense neutron source. // Proc. of PAC-2001, Chicago, IL, 17-22 June 2001.

4. M.S. Avilov, K.V. Gubin, N.Kh. Kot, N.N. Lebedev, P.V. Martyshkin, S.N. Morozov, I.L. Pivovarov, S.V. Shiyankov, A.A. Starostenko, L. Tecchio. Project of deuteron accelerator based carbon target for neutron production. // Proc. of APAC-2001, Beijing, 17-21 Sept. 2001, China.

5. M.S. Avilov, K.V. Gubin, N.Kh. Kot, P.V. Martyshkin, S.N. Morozov, S.V. Shiyankov, A.A. Starostenko, L. Tecchio, A. Andrighetto, Bao Y.W., V.V. Plokhoi, Ya.Z. Kandiev, S.I. Samarin. Project of proton accelerator based target for neutron production. // Proc. of APAC-2001, Beijing, 17-21 Sept. 2001, China.

6. M.C. Авилов, A.B. Антошин, K.B. Губин, H.X. Кот, Н.Н. Лебедев, П.В. Логачев, П.В. Мартышкин, С.Н. Морозов, И.Л. Пивоваров, А.А. Старостенко, С.В. Шиянков. Вращающаяся углеродная мишень для высокоинтенсивного источника нейтронов. // XVII Совещание по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 2000.

7. М.С. Авилов, К.В. Губин, Н.Н. Лебедев, П.В. Логачев и др. Проект источника нейтронов на основе ускорителя для получения пучков радиоактивных ионов. // XVII Международный семинар по ускорителям заряженных частиц, Алушта, 17-23 сентября 2001.

8. М.С. Авилов, К.В. Губин, Н.Н. Лебедев, П.В. Логачев и др. Тесты материалов для нейтронной мишени высокой мощности. // XVII Международный семинар по ускорителям заряженных частиц, Алушта, 17-23 сентября 2001.

9. М.С. Авилов^ К.В. Губин, Н.Н. Лебедев, П.В. Логачев и др. Проект источника быстрых нейтронов, основанный на 30 МэВ - 300 кВт протонном ускорителе. // XVII Международный семинар по ускорителям заряженных частиц, Алушта, 17-23 сентября 2001.

10. К. Gubin, M.S. Avilov, P.V. Logatchev, P. Martyshkin, S. Morozov, S.V. Shiyankov, L. Tecchio. High-power Proton Irradiated Solid State Rotating Neutron Target: Conceptual Design and Estimations of the Operation Conditions. // Proc. EPAC'02, Paris, 3-7 June 2002.

11. K. Gubin, M.S. Avilov, A. Korchagin, A. Lavrukhin, P.V. Logatchev, P. Martyshkin, S. Morozov, B. Obmoin, S.V. Shiyankov, L. Tecchio. Highpower Proton Irradiated Solid State Rotating Neutron Target: First Tests of Converter Materials. II Proc. EPAC'02, Paris, 3-7 June 2002.

12. M.S. Avilov, S.N. Fadeev, K.V. Gubin, A.l. Korchagin, A.V. Lavrukhin, P.V. Logatchev, P.V. Martyshkin, S.N. Morozov, S.V. Shiyankov, J. Esposito, L. Tecchio. Test of materials for the high temperature intense neutron target converter. // Proc. of Third Asian Particle Accelerator Conference, March 22-26, 2004, Gyeongju, Korea.

13. M.S. Avilov, K.V. Gubin, P.V. Logatchev, P.V. Martyshkin, S.V. Shiyankov, J. Esposito, L. Tecchio. Prototype of high temperature intense neutron target. // Proc. of Third Asian Particle Accelerator Conference, March 22-26, 2004, Gyeongju, Korea.

14. M.S. Avilov, D.Yu. Bolkhovityanov, S.N. Fadeev, K.V. Gubin, A.V. Lavrukhin, P.V. Logatchev, P.V. Martyshkin, A.A. Starostenko, O. Alyakrinskiy, L. Tecchio. Test of Construction for High Temperature Intense Neutron Target Prototype. // Proc. of 9th European Particle Accelerator Conference, July 5-9, 2004, Lucerne, Switzerland.

15. K. Gubin, M. Avilov, S. Fadeev, A. Korchagin, A. Lavrukhin, P.V. Logatchev, P. Martyshkin, S.N. Morozov, S. Shiyankov, J. Esposito, L.B. Tecchio. Test of Materials for the High Temperature Intense Neutron Target Converter. // Proc. of 9th European Particle Accelerator Conference, July 5-9, 2004, Lucerne, Switzerland.

16. А.И. Романенко, О.Б. Аникеева, P.B. Горбачев, Е.И. Жмзриков, К.В. Губин, И.В. Логачев, М.С. Авилов, С.В. Цыбуля, Г.Н. Крюкова, Е.Б. Бургина, Л. Теккио. Новый материал на основе изотопа углерода 13С для нейтронных мишеней. // ДАН, серия «Неорганические материачы», 2005, том 41, №5, с.1-9.

17. О. Alyakrinskiy, М. Avilov, D. Bolkhovityanov, J. Esposito, S. Fadeev, K. Gubin, Ya. Kandiev, A. Korchagin, N. Kot, A. Lavrukhin, N. Lebedev, P.Logatchev, P.Martyshkin, S.Morozov, V.Plokhoi, S.Samarin, S. Shiyankov, A. Starostenko, I.. Svyatov and L. Tecchio. High Power Neutron Converter for Low Energy Proton/Deuteron Beams, // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, vl 557, Issue 2, 15 February 2006, p.403-413.

АВИЛОВ Михаил Степанович

Численный анализ конструкции твердотельной нейтронной мишени на основе экспериментов с прототипами ее элементов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа поступила 18.04. 2006 г Подписано в печать 18.04.2006 г. Формат бумаги 60x90 1/16 Объем 0,9 печ.л., 0,7 уч.-изд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № 21_

Обработано на IBM PC и отпечатано на ротапринте "ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН", Новосибирск, 630090, пр. Академика Лаврентьева, 11

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Выбор конструкции нейтронной мишени и методов ее анализа.

0 1.1. Критерии выбора конструкции.

1.2. Конструкция нейтронной мишени.

1.3. Методы анализа.

1.4. Возможности программного комплекса АЫЗУБ.

1.4.1. Тепловой анализ.

Ф 1.4.2. Использование теплового излучения.

1.4.3. Расчет режима принудительного охлаждения 1.4.4. Структурный анализ.

1.4.5. Использование контактов.

ГЛАВА 2. Определение термомеханических характеристик стационарного макета мишени.

2.1. Конструкция макета.

2.2. Экспериментальное оборудование.

2.2.1. Ускоритель электронов.

2.2.2. Вакуумная камера. 45 5 ® 2.2.3. Системы диагностики и контроля.

2.3. Эксперименты со стационарным макетом.

2.3.1. Основные задачи экспериментов.

2.3.2. Определение распределения тока в пучке.

2.3.3. Распределение температуры в макете.

2.4. Численное моделирование рабочих режимов стационарного макета 'ф мишени.

2.4.1. Физическая модель мишени.

2.4.2. Основные этапы моделирования.

2.4.3. Построение модели для анализа стационарного макета мишени.

2.4.4. Тепловой анализ. Определение теплопередачи через контакты.

2.4.5. Уточнение свойств используемых материалов.

2.4.6. Структурный анализ.

2.4.7. Основные результаты моделирования.

ГЛАВА 3. Исследование рабочих режимов вращающегося прототипа нейтронной мишени.

3.1. Конструкция прототипа.

3.2. Численное моделирование рабочих режимов прототипа.

3.2.1. Цели анализа и модель прототипа.

3.2.2. Тепловой анализ.

3.2.3. Структурный анализ. Оценка вклада инерционных сил в общую картину напряжений в конструкции.

3.2.4. Основные результаты моделирования рабочих режимов прототипа.

3.3. Испытание прототипа нейтронной мишени.

3.3.1. Задачи и методы экспериментов.

3.3.2. Эксперименты с прототипом под интенсивным электронным пучком.

3.4. Сравнение экспериментальных данных с результатами моделирования.

ГЛАВА 4. Расчет и оптимизация параметров нейтронной мишени.

4.1. Критерии и параметры оптимизации.

4.2. Оптимизация диаметра мишени, толщины и длины пластины конвертора.

4.3. Оценка напряжений в конструкции. Оптимизация скорости вращения мишени и диаметра вала.

4.4. Оптимизация положения пучка на пластине конвертора.

4.5. Основные результаты.

Исследование фундаментальных свойств материи, как на уровне атомного ядра, так и на уровне элементарных частиц, требует постоянного увеличения интенсивности пучков заряженных частиц, задействованных в экспериментах. Это, в свою очередь, приводит к необходимости разработки мишенных систем нового поколения, способных производить пучки вторичных частиц, имеющие высокую яркость. Таковыми, как правило, являются пучки нейтронов, радиоактивных ионов, антипротонов, позитронов и мю-мезонов.

Вслед за новаторскими исследованиями, проведенными в лабораториях CERN-ISOLDE [1] и CRC-Louvain-La-Neuve [2] на источниках радиоактивных ионных пучков (РИЛ) первого поколения, целый ряд научных институтов приступил к разработкам источников РИП второго поколения (REX ISOLDE, CERN; HRIBF, Oak Ridge; RIA, USA; EURISOL, EU), способных, с одной стороны, получать интенсивности пучков на порядок выше существующих, с другой стороны, производить широкий спектр радиоактивных изотопов.

Особое внимание при этом уделяется пучкам ионов с высоким содержанием нейтронов в ядрах, получаемых при облучении специальных мишеней потоком нейтронов. Отметим лишь некоторые области, в которых применение РИП может внести существенный вклад в продвижение исследований.

Ядерная физика

Исследование существующих стабильных и нестабильных ядер открывает только одну из форм строения ядер. Наличие же ядер с экстремальным протон-нейтронным соотношением позволяет изучать "сверхэкзотичные" ядерные структуры, приближающиеся к чистой нейтронной материи, исследовать границы существования ядер и синтезировать наиболее тяжелые из существующих ядер, внести ясность в поведение свободно ограниченных квантовых систем, получить новые типы ядерных структур, предсказанные ядерными моделями. Существующие модели базируются на экспериментальных знаниях о строении ядер, близких к стабильным и являются отражением частных аспектов более общих теорий. Построение новых обобщенных теорий ядерной структуры может базироваться на экспериментальных данных, полученных на основе использования установок РИП второго поколения.

Ядерная астрофизика

Некоторые из наиболее важных явлений во Вселенной могут быть изучены с помощью РИП. Такие явления, как взрывы новых и сверхновых звезд, нейтронные звезды, рентгеновское и у-излучение связаны с процессами, протекающими в ядрах, а также процессами в ядрах, не существующих на Земле. С помощью установок РИП второго поколения можно получить экспериментальные данные, дающие возможность построения теории происхождения элементов, составляющих вселенную.

Проверка Стандартной Модели и фундаментальных законов сохранения

Все современные физические теории основываются на фундаментальных законах сохранения. На сегодняшний день Стандартная Модель наилучшим образом описывает элементарные частицы и их поведение. Проверка стандартной модели может быть выполнена в экспериментах с применением РИП с чувствительностью, повышенной по сравнению с существующими возможностями.

Другие области применения

Применение РИП открывает новые возможности для исследований и в других областях науки, таких как атомная физика и физика твердого тела, материаловедение и медицинские приложения. Каждое из этих приложений может получить уникальные возможности выбора изотопов с наиболее подходящими временем жизни, кинетической энергией и энергией распада, химическими свойствами.

Большое внимание в настоящее время уделяется так называемому ISOL (Isotope Separator On Line) методу получения РИП. Данный метод основывается на том, что поток первичных частиц из ускорителя (ядерного реактора) направляется на толстую горячую мишень из тяжелых элементов. Пары радионуклидов, образующиеся в результате взаимодействия частиц с веществом мишени, ионизируются на горячей поверхности источника ионов. Полученные ионы разделяются по изотопам, ускоряются до необходимой энергии и транспортируются в экспериментальную зону. ISOL техника используется более тридцати лет для производства и изучения короткоживущих изотопов в различных лабораториях (Таб. В.1). Так, на установке ISOLDE в CERN РИП получают дроблением ядер материала мишени протонами с энергией 1 ГэВ. На установке OSIRIS [3] в Швеции используют тепловые нейтроны из исследовательского реактора для облучения U. В настоящее время обсуждаются и разрабатываются сразу несколько новых проектов РИП, среди которых проект SPES в Национальных Лабораториях Леньяро (LNL), Италия [4-6].

Таблица В.1. Характеристики РИЛ установок на основе ISOL метода.

Проект, лаборатория Первичный пучок (ПП) Энергия ПП ,МэВ Интенсивность ПП, цА РИП, Атомный номер Энергия РИП, МэВ/нук. Интенсивность ион/сек. Статус установки

Louvain La Neuve P 30 500 6-31 0.6 - 27 5-Ю8 Рабочая

Louvain La Neuve p, d, He 80 (P) 25 6-31 0.2-0.8 10у Строящаяся

ISOLDE CERN P 1000 3 6-30 1 10у Рабочая

SPIRAL GAÑIL С-Ar 100 МэВ /нукл. 8 <220 5-50 10* Проект

RAL P 800 100 <80 6.5 10'- 10й Проект

HRIBF Oak Ridge P 250 5 <150 5-10 10* - 10у Рабочая

KEK Tsukuba P 3000 10 <150 6.5 104-10и Проект

ISAC TRIUMF H" 500 100 <30 1.5 10" -10" Строящаяся

SPES LNL p,d 100 МэВ /нукл. 100 кВт 80 -160 <5 10'-10й Проект

Источник p/d

BNCT

Нейтронная мишень

5 MeV Л

RFQ

ISCL

U мишень

Ионный источник Разделитель изотопов

Умножитель заряда

Разделитель э аряда \

С пс hi ро метр высокого разрешения

Эксп. —

ALPI

Рисунок В.1. Схема установки SPES. ISCL - сверхпроводящий линейный ускоритель, ALPI - ионный линейный ускоритель, RFQ - ВЧ квадруполь, BNCT - установка для бор-нейтронной терапии.

Недавно Национальным Институтом Ядерной Физики Италии (INFN) была утверждена программа реализации первой стадии проекта под названием SPES (исследование и получение экзотических типов ядер), направленного на строительство в LNL установки РИП второго поколения на основе метода ISOL. Установка включает в себя (см. Рис. В.1) в качестве основного высокоинтенсивный 40 МэВ (150 кВт) riротонный/дейтронный линейный ускоритель, и ускоритель тяжелых ионов ALPI, используемый как пост-ускоритель. Первичный пучок протонов/дейтронов производит в конверторе нейтронной мишени 1014 нейтронов в секунду (внутри угла 20° в прямом направлении) с энергетическим центром в районе 14 МэВ.

Полученный таким образом поток нейтронов попадает на горячую толстую мишень из соединений 238и. Пары радионуклидов ионизируются, выводятся из мишени с энергией 20-60 кэВ и затем, после разделения по изотопам, попадают в экспериментальную зону для низкоэнергетичных экспериментов, или доускоряются до энергий 1-5 МэВ/нуклон. С помощью индуцированного нейтронами распада и может быть получен широкий спектр изотопов, включая ядра с высоким содержанием нейтронов. В отличие от процесса деления ядер под воздействием пучка протонов/дейтронов, распад, индуцированный быстрыми нейтронами, позволяет существенно увеличить отношение атомной массы продуктов деления к их атомному номеру.

Помимо энергетического распределения нейтронов, размеры нейтронной мишени являются наиболее важными параметрами, требующими всестороннего изучения с целью максимально повысить эффективность получения РИП. Особое внимание следует уделить термомеханическим свойствам материала конвертора, компактности геометрии мишени, надежности мишенного узла и его стоимости.

В ИЯФ СО РАН, Новосибирск, накоплен большой опыт по созданию различных конверсионных систем и источников заряженных частиц. В частности, в рамках сотрудничества ИЯФ и ЬЫЬ разработан проект горячей углеродной нейтронной мишени высокой интенсивности (~1014 нейтронов в секунду), облучаемой пучком дейтронов [7], ведутся исследования в области источника радиоактивных ионов - создан макет горячего источника, проработавший в рабочих условиях без ухудшения характеристик более 100 часов [8].

Важным этапом на пути к созданию нейтронной мишени является программа исследования физических и технологических аспектов нейтронного конвертора, выполняемая в сотрудничестве ИЯФ и ЬЫЬ. В качестве возможных кандидатов для изготовления конвертора рассматривались бериллий, жидкий литий, графит и графитоподобный материал на основе изотопа 13С, стеклоуглерод и карбид бора. Для каждого из этих материалов проведены исследования их свойств, определены критические параметры конвертора мишени [9].

Конвертор на основе жидкого лития является более привлекательным с точки зрения поглощенной мощности первичного пучка, чем бериллий. Однако поток горячего жидкого лития, содержащий радиоактивные продукты, создает дополнительные трудности в реализации конвертора мишени, связанные главным образом с безопасностью эксплуатации установки и ее высокой стоимостью.

Отличительной особенностью конвертора из бериллия является самый высокий выход нейтронов [10], однако его низкая температура плавления (1278 °С) не позволяет принимать первичный пучок большой мощности. Кроме того, бериллий является токсичным материалом.

Несмотря на меньший по сравнению с бериллием полный выход нейтронов, графит, изготовленный из природного углерода или изотопа 13С, является наиболее подходящим материалом для нейтронного конвертора. р 11

Действительно, как C(d,n), так и С(р,п) реакции весьма эффективны, особенно в прямом направлении, где выход нейтронов сравним с выходом нейтронов из бериллия [5] (см. Рис. В.2). Графит нетоксичен и способен выдерживать значительные тепловые нагрузки. Снятие тепловой мощности с графитового конвертора не требует проектирования сложной системы охлаждения, поскольку основная часть мощности отводится тепловым излучением с поверхности графита и рассеивается в водоохлаждаемых стенках вакуумной камеры.

В рамках сотрудничества между ИЯФ СОРАН, LNL и ВНИИТФ, Снежинск, при поддержке МНТЦ (проект № 2257) разработан проект интенсивного источника радиоактивных ионов на базе протонного ускорителя, важнейшей частью которого является нейтронная мишень с конвертором из материала на основе изотопа 13С. Мишень представляет собой вращающийся металлический диск диаметром 1 м с закрепленными на нем пластинами конвертора. Конвертор облучается пучком протонов мощностью 150 кВт и поперечным размером 1 см. Основные требования, предъявляемые к мишенному узлу:

- нейтронная мишень должна принимать и рассеивать большую мощность -до 150 кВт; нейтронная мишень должна находиться в условиях вакуума ~ 10~6Торр; мишенный узел находится в зоне с большим радиационным потоком и должен быть окружен биологической защитой.

10Е-Ю5 т

1 0Е-Ю0

10 20 X 40 50 60 Энергия, МэВ

70 80 90 100

Рисунок В,2. Выход нейтронов (на 10 падающих протонов) в прямом направлении (0" < а< 30°) и их энергетический спектр (МэВ) при облучении мишеней из различных изотопов протонным пучком с энергией 100 МэВ. Расчет с помощью программы МСЫРх.

Максимально возможное использование фактора увеличения интенсивности вторичного пучка приводит к предельным значениям плотности мощности, выделяющейся в мишени под действием первичных частиц. Причем уровни этой мощности и энергии первичных частиц настолько велики, что активация всего мишенного узла делает невозможной его ремонт или утилизацию в течение длительного времени. Указанное обстоятельство требует от мишенной системы особой надежности и простоты последующей утилизации.

Вышеперечисленные факторы определяют необходимость создания специализированной системы тщательной проверки и испытаний мишенной системы как поэлементно, так и в сборе. Такие испытания не должны приводить к активации мишени, и в тоже время должны гарантировать ее работоспособность при штатной эксплуатации. Практически единственной возможностью проведения подобных термомеханических испытаний является облучение мишени мощным электронным пучком с энергией не более 10 МэВ. Важно отметить, что испытательный стенд на основе такого ускорителя необходим не только для разработки мишенных систем, но и в процессе их тестирования перед введением в эксплуатацию.

Для проведения технологических испытаний мишенных сборок, при подготовке последних к установке под интенсивный ионный пучок высокой энергии, требуется ускоритель электронов на энергию около 1 МэВ с мощностью до 200 кВт и диаметром пучка в районе 1 см. Пучок принимается мишенью в вакууме и не выводится в атмосферу. Тем не менее, система транспортировки пучка должна обеспечивать работу как с вертикальным, так и с горизонтальным пучком, и иметь систему защиты ускорителя от аварийного разрушения элементов мишени. Дополнительно, такой ускоритель должен иметь развитую систему диагностики пучка и состояния элементов мишени для уверенного прогнозирования работоспособности мишени и ее подсистем. Специальное диагностическое оборудование также необходимо для детального изучения причин отказа мишени и разрушения ее элементов. Особое внимание должно быть уделено радиационной защите подсистем ускорителя и диагностического оборудования в процессе длительных испытаний с большой мощностью в принимаемом на мишень пучке.

Испытание всех элементов мишени и мишенной системы в целом является трудоемкой задачей, требующей значительных затрат средств и времени. Поэтому для изучения поведения системы в рабочих режимах целесообразным является проведение всестороннего моделирования, охватывающего основные физические процессы в мишени: нагрев конвертора, излучение с поверхности мишени, передача тепла в различные части конструкции, деформации и напряжения в узлах мишени под воздействием тепловых нагрузок и вследствие вращения, и т.д. Комплекс прикладных программ АЫБУБ [11,12], предназначенный для решения широкого спектра задач моделирования, является подходящим инструментом для анализа вышеперечисленных проблем. Моделирование, проведенное на его основе, наряду с результатами экспериментов с прототипами элементов мишени позволило бы прогнозировать поведение мишени при нагреве интенсивным протонным пучком, определять ее критические области и производить оптимизацию геометрических параметров.

Целями настоящей работы являются исследование и оптимизация схемы нейтронной мишени, включающие в себя: построение модели мишенной системы, выбор конструкции и материалов для ее реализации;

- проведение экспериментов с прототипами элементов мишени с целью изучения процессов теплопереноса в узлах мишени и уточнения расчета ее основных характеристик;

- расчет тепловых и механических режимов работы мишени и оптимизация ее геометрических параметров.

В Главе 1 сформулирован общий подход к решению проблемы создания нейтронной мишени, предложена ее модель, рассмотрены основные методы и средства ее исследования, каковыми являются эксперименты и численный анализ, рассмотрена методология использования программного комплекса АЫ8У8 в моделировании режимов работы мишени.

Для решения поставленных задач создан вращающийся прототип мишени, на котором были отработаны основные физические, технические и технологические принципы, легшие в основу проекта интенсивного источника нейтронов. Прототип предназначен для испытаний под электронным пучком ускорителя ЭЛВ-6 [13-15] с энергией 1.4 МэВ и мощностью до 50 кВт. С целью изучения механизмов теплопередачи между частями мишени был также изготовлен ее стационарный макет, который представляет собой элемент прототипа, выполненный в виде сектора металлического диска с частью конвертора, закрепленный на фланце вакуумной камеры и нагреваемый пучком электронов мощностью до 2 кВт. Система диагностики контролировала температуру в различных частях макета, что позволило получить исчерпывающую картину поля температуры и провести моделирование процессов переноса тепла в мишени. В Главе 2 описана конструкция макета, оборудование для экспериментов и методика измерения и контроля основных параметров конструкции, представлены схемы экспериментов с макетом и их основные результаты. Особое внимание уделено анализу тепловых и механических режимов работы макета, включающему: расчет тепловых режимов работы конструкции на основе численного решения трехмерного уравнения теплопроводности с учетом теплового излучения с поверхностей макета и зависимости свойств используемых материалов от температуры; расчет термомеханических характеристик макета на основе численного решения уравнений упругости и термоупругости с целью определения максимальных термомеханических напряжений конструкции.

Глава 3 посвящена термомеханическому анализу вращающегося прототипа нейтронной мишени. Моделирование проводилось с помощью программного комплекса ANSYS с использованием данных о теплопередаче между частями конструкции, полученных для стационарного макета. Описаны эксперименты с прототипом мишени, ставящие целью определение тепловых и механических характеристик конструкции в различных режимах ее нагрева пучком. По завершению испытаний прототипа проведено сравнение результатов расчета с данными, полученными в процессе экспериментов. Продемонстрировано хорошее совпадение результатов численного анализа с экспериментальными данными, что делает возможным применение предложенной методики исследования для термомеханического анализа твердотельных высокотемпературных нейтронных мишеней.

Глава 4 посвящена выбору и оптимизации параметров 150 кВт вращающейся нейтронной мишени с учетом результатов экспериментов со стационарным макетом и прототипом мишени, а также проведенного численного анализа.

В Заключении приводятся основные результаты работы. В результате проделанной работы была продемонстрирована возможность создания нейтронного источника на основе протонного ускорителя, выбран оптимальный вариант его конструкции, с помощью экспериментов с прототипом и численного анализа определены его основные параметры, отработаны важнейшие физические, технические и технологические принципы и методики, использующиеся для создания i высокоинтенсивного источника нейтронов.

Материалы диссертационной работы опубликованы в работах [16-18]. Результаты докладывались на научных семинарах Института Ядерной Физики имени Будкера, лаборатории LNL-INFN (Италия), на российских и международных конференциях.

4.5. Основные результаты

• Проведена оптимизация основных параметров 150 кВт нейтронной мишени, включая: диаметр мишени, длину и толщину пластины конвертора, диаметр вала, скорость вращения мишени, положение пучка на пластине конвертора. Оптимизация проведена для конвертора из графита и из материала на основе |3С для различных поперечных размеров протонного пучка;

• В результате проведенной оптимизации значения основных термомеханических величин составили:

- максимальная температура конвертора из графита - не более 2000 °С;

- максимальная температура конвертора из 13С - не более 1760 °С;

- максимальная температура металлической части конструкции -не более 680°С;

- максимальная температура вала - не более 150 °С;

- максимальное значение термомеханических напряжений - менее 7-108 Па.

- максимальная величина деформаций в конструкции - около 1 мм. Поскольку рабочая температура вала не превышает 150 °С, охлаждение подшипников не требуется;

Частота вращения мишени выбрана на уровне 20 Гц, так как при этом скачок температуры конвертора не превышает 25 °С, а максимальное напряжение от вращения составляет около 1.7-107 Па;

Диаметр вала существенно не влияет на величину напряжений в конструкции;

Положение пучка в середине пластины конвертора рассматривается как наиболее оптимальное с точки зрения минимальной температуры конвертора и относительно малого потока тепла из конвертора в вал.

119

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе представлена конструкция твердотельной высокотемпературной мишени с конвертором из углеродного материала, облучаемым пучком протонов или дейтронов и способным производить интенсивный поток высокоэнергетичных нейтронов для получения радиоактивных ионных пучков. Предложены методы ее анализа на основе экспериментов с элементами прототипа (стационарным макетом мишени) и численного моделирования с помощью программного комплекса АЫ8У8.

В настоящее время прототип мишени, рассчитанный на мощность первичного пучка 50 кВт, успешно прошел термомеханические испытания под интенсивном электронным пучком ускорителя ЭЛВ-6. В номинальном рабочем режиме испытаны основные системы и узлы мишени, отработана методика измерений ее параметров.

Основными результатами представленной работы являются:

- Предложена оригинальный вариант конструкции высокотемпературной твердотельной нейтронной мишени с конвертором из природного графита или разработанного по оригинальной технологии материала на основе изотопа 13С. Конвертор с помощью графитовых цанг крепится к вращающемуся металлическому диску. Отвод тепла из рабочей зоны осуществляется за счет излучения с горячей поверхности конвертора.

- Разработана методика термомеханического анализа мишени, включающая в себя эксперименты со стационарным макетом мишени с целью определения теплопередачи между узлами конструкции и уточнения свойств используемых материалов, а также проведение на основе полученных данных численного моделирования для расчета основных термомеханических характеристик мишени. Экспериментальное исследование включало определение поля температур в макете с помощью пирометра, измеряющего температуру конвертора, и термопар, расположенных вдоль основания макета, определяющих поле температур в его металлической части. Численный анализ проводился на основе метода конечных элементов с помощью программного комплекса АЫБУБ. В моделировании учитывалось распределенное объемное тепловыделение в конверторе, тепловое излучение с поверхностей макета, а также коэффициенты теплопередачи через контакты между узлами конструкции, выбранные на основе данных эксперимента.

Разработанная методика была применена для анализа рабочих режимов прототипа нейтронной мишени. Прототип представлял собой стальной диск диаметром 30 см с закрепленным на нем конвертором, вращающийся с частотой 20 - 50 Гц. Конвертор прототипа нагревался интенсивным электронным пучком мощностью до 50 кВт. Излучаемая с конвертора тепловая мощность рассеивалась в водоохлаждаемых алюминиевых панелях. Проведенный анализ позволил прогнозировать поведение прототипа мишени в различных рабочих режимах, определить критические области конструкции с точки зрения поля температур и напряжений, возникающих при нагреве прототипа и его вращении, внести изменения в конструкцию охлаждающих панелей, позволяющие более эффективно осуществлять теплоотвод с поверхности конвертора. Выполненные в процессе испытаний прототипа мишени тепловые измерения продемонстрировали хорошее совпадение экспериментальных данных с результатами численного анализа и позволили сделать вывод о пригодности используемой для анализа модели для определения термомеханических параметров твердотельных высокотемпературных мишеней.

С помощью разработанных методов анализа был проведен расчет термомеханических характеристик нейтронной мишени, облучаемой пучком протонов с энергией 40 МэВ и мощностью 150 кВт.

Произведена оптимизация следующих параметров: диаметр мишени, длина и толщина пластины конвертора, диаметр вала, частота вращения мишени, положение пучка на пластине конвертора. В рамках программы создания источника РИП второго поколения впервые разработана высокотемпературная твердотельная нейтронная мишень с отводом тепла из рабочей зоны с помощью излучения, способная принимать первичный пучок большой мощности (до 150 кВт). Использование для анализа рабочих режимов мишени численного моделирования на основе программного комплекса ANSYS, несмотря на широту его возможностей, не смогло бы дать исчерпывающую картину о состоянии ключевых узлов конструкции при воздействии на них тепловых и механических нагрузок. Поэтому для расчета основных термомеханических характеристик мишени был применен метод анализа, включающий в себя, кроме численного моделирования, эксперименты с макетом мишени для выявления механизма передачи тепла через контакты между узлами конструкции и уточнения свойств используемых материалов.

Описанная в работе методика продемонстрировала работоспособность, будучи примененная для анализа режимов работы вращающегося прототипа нейтронной мишени. Результаты численного моделирования с использованием данных экспериментов с макетом мишени показали хорошее (лучше чем 10%) совпадение с данными температурных измерений, проведенных во время испытаний прототипа. Важное значение имеет возможность проведения расчетов напряжений, возникающих при нагреве конвертора пучком и вследствие вращения конструкции. Предложенная методика термомеханического анализа может быть использована при разработке различных конструкций твердотельных мишеней, а также других устройств, работа которых связана с тепловыми и механическими нагрузками и наличием контактов между узлами конструкции.

Данная работа выполнена при поддержке МНТЦ, проект № 2257.

В заключение выражаю глубокую благодарность научному руководителю работы П.В.Логачеву за руководство и помощь в процессе написания работы.

Искренне благодарю коллектив научных сотрудников, инженеров и лаборантов, принимавших участие в выполнении проекта МНТЦ № 2257.

1. H.L. Ravn. Physical Reports 54 (1979) 201.

2. M. Loiselet et. al. Third International Conference on Radioactive Beams, D.J. Mossissey éd., Edition Frontières, Gif sur Yvette (1993) 179.

3. M.S. Avilov et. al. "Project of Deuteron Accelerator Based Carbon Target for Neutron Production". Proc. APAC'01, Beijing, China, September 17 -21,2001.

4. A.V. Aleksandrov et. al. "The Prototype of Radioactive Ion Source". Proc. APAC'01, Beijing, China, September 17 -21,2001.

5. А.Б. Каплун, E.M. Морозов, M.А. Олферьева «ANSYS в руках инженера: практическое руководство». Эдиториал УРСС, 2003.

6. R.A. Salimov et. al. "DC High Power Electron Accelerators of ELV-series: Status, Development, Applications". Radiation Physics and Chemistry, 2000, Vol.57, Iss. 3-6, pp. 661-665.

7. Kuksanov N.K. et. al. "High Voltage Electron Accelerators at a Power of up to 90 kW". Radiation physics and chemistry 1990, Vol 35, Iss 4-6, pp 658661.

8. A. Vaisman et al. "Technological applications of industrial electron accelerators of ELV series". 5th International Conference on Electron Beam Technologies, Varna, Bulgaria, June 1997, pp.342 -347.

9. M.S. Avilov et. al. "Test of Construction for High Temperature Intense Neutron Target Prototype". Proc. EPAC'04, Lucerne, Switzerland, July 5-9, 2004.

10. M.S. Avilov et. al. "Prototype of High Temperature Intense Neutron Target". Proc. APAC'04, Gyengju, Korea, March 22-26,2004.

11. M.S. Avilov et. al. "High Power Proton Irradiated Solid State Rotating Target: Conceptual Design and estimations of the Operation Conditions". Proc. EPAC'02, Paris, France, June 3-7,2002.

12. E. Hagebo et. al. Nuclear Instruments and Methods B70 (1992) 165.

13. M.V. Ricciardi and S. Monti. "Analysis on Exotic Nuclides Production Using Monte Carlo Simulations". ENEA DT-SBD-00005,1998.

14. M.S. Avilov et al. "R&D Studies and Preliminary Design of the Neutron Production Target for Neutron Factory and BNCT Application". Final Report on lOO/PO/LNL contract, Novosibirsk, 2001.

15. Laurie S. Waters, Editor. "MCNPx™ User's Manual", Version 2.1.5 (http://mcnpx.lanl.gov/').23. "Физические величины", справочник под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова, М., Энергоатомиздат, 1991.

16. V. Plokhoi et. al. "Calculation of Neutron Yields from Natural Carbon and 13C Targets Irradiated by Protons with Energies up to 120 MeV". Proc. Seminar on ISTC Project #2257, Legnaro, Italy, July 19-21,2005.

17. Siegal, R. and Howell, J.R. "Thermal Radiation Heat Transfer". Second Edition, Hemisphere Publishing Corporation, 1981.

18. C.C. Кутателадзе. «Теплопередача и гидродинамическое сопротивление». M., Энергоатомиздат, 1990.27. www.webelements.com

19. Краткий справочник конструктора нестандартного оборудования. Под редакцией В.И. Бакуменко. М., Машиностроение, 1997.